（电工理论与新技术专业论文）ais通信协议分析与实现.pdf

e 海大学硕上学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) i san e wt e c h n o l o g yf o rm a r i n e n a v i g a t i o n i t su s i n gf o ri n t e r n a t i o n a ls h i p t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d o ft h es y s t e m ，s u c ha st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o n , m a i nf u n c t i o na n dt h es y s t e m m o d u l e s t h e nt h ep a p e rd e s c r i b e st h e o r ya n dr e a l i z a t i o no fa i sf r o mt h e p h y s i c sl a y e rt od a t al i n kl a y e r , f o l l o w i n gt h eo s im o d e l ak i n do f r e a l i z a t i o nw a yo f t h es y s t e mi sp r o v i d e db yt h i sp a p e ri n c l u d i n g t h eg m s km o d e mr e a l i z a t i o nb ys i n g l es y n c h r o n i z a t i o nh i g h s p e e dm o d e mc h i p c m x 5 8 9 ，z 8 5 c 3 0u s i n gf o rc o d i n ga n dd e e n d i n go fa i s ，a n dt h es o f t w a r e s y s t e mo ft h i sd e s i g n t h er e a l i z a t i o ni sp r o v i d e dt ob es u i tf o ra i sp r o t o c o lb y f u n c t i o ne x p e r i m e n t t h ep a p e ra n a l y s ea i sn e t w o r kc a p a c i t y a n dav i e w p o i n ta b o u tt h et r e n do f n e t w o r kc a p a c i t yi sa d v a n c e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ra l s od e s c r i b e saw a yt o m a i n t a i nt h ea i st c m i n a lr u n n i n gw h e nt h en e t w o r ki sc l o s e dt oi t sc a p a c i 够 a tl a s t , t h ep a p e ra n a l y s et h ea n t i - j a m m i n gw a yi nt h em c u s y s t e m b o t h t h eh a r d w a r ea n t i - j a m m i n gw a ya n ds o f t w a r ea n t i - j a m m i n gw a ya r ed i s c u s s e di n t h ep a p e r t h ep a p e rg i v ead e b u gs t e pw h i c hc a l lb eu s e dw h e nt h es y s t e mi si n t r o u b l e t h ed e s i g ni d e a , d e s i g nm e t h o d ，t o o l s ，p r a c t i c a lr e a l i z a t i o no fh a r d w a r e ，a n d t h ep r o b l e ma n ds o l u t i o na r eo f g r e a tr e s e a r c hv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：a i s ，g m s k ，s e r i a lc o r m u n i c a t i o n ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ， e x c e p t i o nh a n d l e s v i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：理丝匿! 日期：2 ：z 型7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一，歪坌丛导师签名 v 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引子 现代船舶朝着大型化、高速化方向发展，船舶数量与水域交通密度及危险 货物装载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁着船舶航行安全及海洋生 态环境。人们在长期研究航行安全保障技术中越来越认识到船舶之问和船岸之 间的信息交换与船舶识别的重要性，同时也深感现有的助航设备和通信设备在 性能上存在的诸多局限性：船用雷达、船用自动雷达标绘仪a r p a ( m a r i n e a u t o m a t i cr a d a rp l o t t i n ga i d s ) 具有避碰功能，但是提供的信息有限，不能识别 船舶，不能告知船名、国籍与操船意图，在船舶密度大的水域以及恶劣气象海 况环境时，雷达、a r p a 也显得无能为力。并且目前船舶间通信依靠v h f ( v e r y h i g h f r c q u e i l c y ) 无线电话【n ，由于这种靠人工操作低效率的通信方式不能自动获 得相遇船的标识，无法及时沟通双方信息和彼此掌握对方的操船意图，在实际 操控时难以达成避碰协议，因此经常会酿成碰撞海损事故【”。经过多个国家多 年来的研究与试验，国际海事组织( i m o ) 和国际航标协会于二十世纪9 0 年代 提出了一项既保证航海安全又提高航运效益的新技术船舶自动识别系统 a i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) a i s 自动连续发出本船的静态信息( 编码、 船名等) 、动态信息( 船位、航速、航向等) 、航次信息和安全短消息，同时也 自动接收周围船舶发来的消息，为船舶避碰和航行辅助决策。a i s 为船舶避碰 提供了更为强力有效的措施，增强了船舶的全局意识，使航海进入了数字时代 【3 1 。 随着船舶自动识别系统( a i s ) 配备日期的逼近【4 1 ，依照规则购置安装a i s 是目前各船运公司在船舶通信方面的首要工作。我国有3 0 0 多家国际航运公司， 拥有近4 0 万艘国际航行船只，有巨大的a i s 需求。目前国外的a i s 设备功能 已经比较完善，但价格较高，而国内真正具备自主知识产权的产品并不多。研 制自主知识产权的a i s 设备，在保证质量的前提下，可以降低价格达8 0 左右 【翻，能够节省大量的外汇并借此提高我国航运的国际地位，具有巨大的经济效 益和社会效益。 上海大学硕上学位论文 1 2 a i s 的发展与应用 通信就是指信息的交换或指信息的交流和沟通，而海事通信指的就是海上航 行船舶之间以及船舶与岸上各有关机构之间的信息沟通。健全可靠的海事通信不 但是船舶安全航行和正常运营的需要，更是海上人命安全必不可少的基本保证。 无线电技术的应用，给海事通信带来了翻天覆地的变化，国际海事组织在1 9 8 8 年 推行的全球海事灾难和安全系统( g m d s s ) 为国际海事安全作出了重大贡献。现在 船舶自动识别系统( a i s ) 的出现成为海事通信和导航的又一座里程碑。 1 9 9 5 年1 1 月2 9 同的国际海上生命安全公约( s 0 l a s 公约) 缔约国政府会议上， 通过了第九次决议案自动船舶识别应答器收发系统，审议并通过了关于该装 置系统配置的s o l a s 公约修正案。 1 9 9 6 年，在i m o 航行安全分委员会4 2 次会议上，审议了技术小组提交的使用 v h fd s c 技术的船用自动识别系统装置的性能标准草案，并将该系统简称为 “a i s ”。 1 9 9 7 年i m 0 的航行安全分委员会举行了4 3 次会议，会上通过了关于全球船载 自动识别系统( a i s ) 性能标准的建议案：1 9 9 8 年i m o 的海安会批准了该建议案； 同年，国际电讯联盟制定了a i s 的国际通用技术标准i t u 2 rm 1 3 7 1 2 1 建议案。 1 9 9 9 年航行安全分委员会4 5 次会议上最后确定了对s o l a s 公约第五章的修订， 并确定了航行于国际航线3 0 0 总吨以上和公约国航行于国内航线5 0 0 总吨以上的 船舶，将于2 0 0 2 年7 月1 日起至u 2 0 0 8 年7 月1 日分阶段执行配备a i s 设备的规定。 2 0 0 1 年初，i t u 2 rm 1 3 7 1 2 2 关于海上v h f 波段使用t d m a 的船用自动识别系 统( a i s ) 的技术特性的决议案通过：2 0 0 1 年初，i e c 6 1 9 9 3 2 2 关于通用a i s 的技 术测试标准的决议案通过。这样，所有关于a i s 的相关的国际标准和公约都已经 出台，各个国家的海上安全管理机构都开始积极着手进行相关的建设，迎接海上 通信导航的新纪元。 上述时间表简单地描述了m s 的整个酝酿和发展的全过程，虽然该协议本身 已经生效，但是，目前而言，国内对于a i s 的研究并不是特别深入，从2 0 0 3 年起， 我国才开始对该协议的研究工作。而我国的航海事业却发展迅速，目前船舶上装 载的a i s 设备，绝大多数还是价格高昂的进口设备。随着国内外航运事业的进一 2 上海大学硕士学位论文 步发展，国内外对a i s 设备的需求将会日益扩大，为了满足国内外的需求，同时 也为了与国际航海研究的接轨，我们有必要也十分急需研究和发展a i s 设备。 就目前的研究方向而言，对a i s 的研究主要有两个方面，一是从协议本身出 发，对协议做进一步改进和更新，这个方向，国内外研究的比较少。更多的学者 是着重于第二个方面，即采用新技术新方法实现该协议目前希望使用d s p 或者 f p g a 实现该协议是比较主流的发展趋势，目前来说，已经出现了使用d s p 实现 的系统，但价格相对还是较高；而使用f p g a 实现该协议，目前尚没有这方面的 成功事例。 1 3 本文主要研究工作 1 3 1 课题目标 本课题的目标是在深入研究a i s 通信协议的基础上寻找一种切实可行的实 现a i s 系统的方法，从协议的有关规定出发，以a i s 终端设备的完全国产化为 目标，设计一种a i s 终端设备。设计得到的a i s 设备应能够满足a i s 协议各方 面的要求： l 、对物理层而言，首先终端设备应能够以9 6 0 0 b i t s 的速率发送和接 收a i s 信号。能够双信道同步工作，满足同步接收和发射的要求， 同时能够完成g m s k 的调制解调功能，调制解调信号的b t 值可 变，能够得到b t 值为0 3 和o 5 的调制信号，并能够相应解调。 2 、对数据链路层而言，终端设备应该能够以a i s 帧结构的要求，发 送并接收a i s 帧信号，同时能够完成对a i s 帧结构的同步，能够 完成a i s 的时隙同步。对a i s 的超帧结构应能够作出相应的处理。 能够实时处理a i s 完整的数据类型( 2 2 种) ，能够得到a i s 每种类 型数据中所包含的船舶信息。 3 、对网络层而言，首先，a i s 终端设备应能够实现对整个网络运行状 态的了解，稳定地接入网络：其次，应能够按照不同的网络运行模 式，进行相应的运行处理；最后，在网络运行过程中，应能够对特 殊情况( 网络拥塞) 下的运行状态作出调整。 以上要求在系统实现过程中，需要统筹考虑，并在最后系统实现时，得到 上海大学硕士学位论文 有效的体现。使之成为可靠的a i s 终端设备。 1 3 2 本人工作 本人在课题进行中，通过对a i s 协议深入的研究与分析，参阅了大量的资 料，完成了一些工作。主要包括： 设计了a i s 物理层和数据链路层要求的硬件电路。包括：一是对g m s k 信号的调制解调。二是a i s 协议规定的链路层帧结构。 设计了a i s 系统运行的软件系统。实现了对a i s 完整数据类型的处理， 使设备能够在a i s 网络中成功接入，并且能够顺利运行。实现了对a i s 网络运行模式的控制，使其能够在自组织发射状态、固定时隙发射状 态、任意时隙发射状态和指配发射状态之间相互顺利转换，连续运行。 提出了a i s 网络容量的变化趋势规律。实现了对a i s 设备在网络拥塞 时，系统能够作相应调整，使设备在网络中运行良好。 总结了在系统实现过程中所采取的抗干扰措施，对于硬件抗干扰方法 和软件抗烦扰方法都作了研究和探讨，提出了一个在嵌入式系统出现 故障时，应采取的调试步骤。 1 3 3 内容安排 本文按照对a i s 的协议分析到协议实现的顺序进行组织和编排，从协议分 析到总体思路、系统的硬件电路设计、系统地软件系统设计、系统运行过程中 的一些问题等都将进行详细的介绍。论文展示了作者的设计思路和一个比较完 整的系统实现方案。全文分为7 章，其结构如下： 第一章对a i s 的应用现状及发展趋势进行了综述，概述了本文主要研究的 内容及文章的组织结构。 第二章介绍了a i s 协议的基本概念，主要涉及a i s 的基本层次结构、数据 包结构、时隙等概念，以及系统的三种运行模式的基本内容。 第三章按照开放系统互联结构( 0 s i ) 的结构顺序，描述了a i s 的硬件结构 设计，主要论述了如何实现g m s k 调制解调功能和如何实现a i s 的帧结构的。 第四章叙述了a i s 传输层的理论基础与a i s 的软件系统实现方式，给出了 系统软件的流程图，讨论了海面上的a i s 网络容量变化趋势和a i s 终端在拥塞 状态时应采取的控制策略。 4 t 海人学顾士学位论文 第五章对系统外部的接口及其主要的作用做了论述。该系统的外部接口的 作用：一是与p c 机通信，在本章中给出了p c 机上的调试程序的处理界面截图， 并对该p c 机调试程序做了描述；二是用于接收g p s 数据，在本章中对g p s 信号 在a i s 中的作用作了讨论，给出了对g p s 数据的处理流程图。 第六章对在系统设计中所采用的可靠性技术和故障处理技术做了一些总 结，给出了系统的软硬件抗干扰设计中所采用的措施，并给出了故障调试时的 基本步骤。 第七章对研究开发过程作了总结，并对需要进一步研究开发的方向做了一 些探讨。 上海大学硕上学位论文 第二章a i s 协议概述 2 1 船载a i s 简介 a i s 是一种时分复用( m a ) 方式的公共海上通信网络协议，a i s 设备 能够不断地向附近的船舶和负责海事监督的岸台播发自己的身份识别标志、船 舶类型、吨位、载货情况、航线、目的港、估计到达时间、当前船位与速度， 同时接收来自岸台的查询和附近船舶的a i s 信息，并把有关信息以图形和电文 方式显示在自己设备的屏幕上。a i s 系统克服了雷达导航的种种弊端，而且免 除了频繁的对话、复杂的计算和不确定性很大的推理工作，全部实现自动化， 把船舶海上航行和进出港的安全保障提高到一个新的境界。 图2 1 是a i s 通信协议采用类似于i s 0 网络七层标准协议的结构。 虑用层 霰刁尼 对话层 传送层 网络层 信道1信道2 链路层l m e链路层l m e 链路层d l s链路层d l s 链路层m a c链路层m a c 物理层物理层 接q k g t l发射机1 2接收机2 图2 1a i s 台站各层模式( 物理层到传送层) 以及各个应用层( 对话层及应用层) 其中，网络层以下的部分与无线信道有关系，而网络层以上的部分则基本 上只是对接收到的信号进行处理。我们设计的重点是网络层以下的部分，而以 上的部分，可以使用任何p c 机界面或者是其他设备来完成。 2 2 伽s k 调制方式原理 m s 的物理层要求采用的调制解调方式是g m s k 方式。g m s k ( g a u s s i a n f i l t e r e dm s k ) 是高斯最小频移键控的简称，是在m s k 调制信号的基础上发展 起来的砌。m s k 信号尽管具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解 调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。为了压缩m s k 6 上海人学硕士学位论文 信号的功率谱，在m s k 调制自口增加一级预调制滤波器，从而有效地抑制了信号 的带外辐射。由于g m s k 具有优良的功率谱特性( 功率谱旁瓣快衰减特性) ，在 对信号频带严格限制的各种数字通信领域尤其是v h f ( 甚高频) 和u h f ( 超高频) 频段的移动通信系统中得到广泛的应用【刀。目前，g m s k 信号已经成为地面蜂窝 移动通信系统的一种标斛引。g m s k 调制的原理框图如图2 2 所示。 不归零数据序 日( 力= e x p ( - a 2 f 2 ) ( 2 1 ) ( f ) ：巫e x p 解n ( 2 2 ) 砌= 五n s s s ，亿s ， 册( f ) = b ( t - n t b ) 4 。= l ( 2 4 ) b ( t ) = 1 1 忭孚t b 为码元周期 1 0其他 石( f ) = 研( f ) + ( f ) = 口。l g ( t - n t b ) ( 2 5 ) 式中g ( t ) 为高斯滤波器的矩形脉冲响应： 7 上海大学硕上学位论文 g ( f ) = 6 ( f ) + ( f ) = 吾燕6 ( f ) o f ) d f ( 2 6 ) b 2 g m s k 调制信号表达式( 即把x ( t ) 加于压控振荡器调频后的g m s k 信号) ： s a ( f ) = a c o s w 。t + 妒( f ) 】= a c o s f o ( t ) c o s c a d a s i n q ，( t ) s i n 脚。t ( 2 7 ) 其中： 妒( f ) = 足。f 。( f ) d ，= 足。口。f 。g ( f - - n t b ) d ， ( 2 8 ) = 民吾4 。f 。如一”t d d ， 可以看出，实现时可采用正交相位调制，其中基带信号： j o ) = a c o s 【妒( f ) 】，q ( f ) = - as i n 【妒( f ) 】( 2 9 ) 不归零码经过高斯型低通滤波器，使得基带信号首先形成高斯脉冲，然后 再经过最小频移键控( m s k ) 调制。m s k 信号的频率脉冲是矩形的，而经过高斯 型低通滤波器平滑后的基带信号区控制压控振荡器的频率，形成的频率变化波 形没有陡峭的边沿，又无转折，因而其相位轨迹得以平滑。g m s k 信号的功率谱 比m s k 信号衰减得快，且几乎没有副瓣；但是g m s k 的误码性能比m s k 略差，这 是因为双极性码元通过高斯滤波器产生拖尾现象，所以相邻脉冲之间有重迭， 造成码间串扰【9 1 。对于某一码元，g m s k 信号的频偏不仅和该码元有关，而且和 相邻码元有关。相邻码元之间的相互影响程度和高斯滤波器的参数有关，也 就是说和高斯滤波器的3 d b 带宽b 有关“。通常将3 d b 带宽b 和输入码元宽度 t 的乘积b t 值“”作为设计高斯滤波器的一个主要参数，当信道间隔一定时，b t 值越大，相邻码元之间的相互影响就越大1 2 】。理论分析和计算机模拟结果表明， b t 值越小，g m s k 信号的功率谱密度的高频分量衰减越快，主瓣越小，信号所占 用的频带越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也就越小”】。 2 3a i s 数据链路层帧结构 a i s 的链路层分为三个子层： a 、链路管理设施( l 地) ：装配a i s 电文比特；将a i s 电文比特排列成装配发射 包的8 b i t 字节。 上海大学硕士学位论文 b 、数据链路服务( d l s ) ：计算a i s 电文比特的f c s ( 帧校验序列) ；附加f c s 至 a i s 电文比特，完成发射包内容；应用比特填充于发射包内容；完成发射 包装配。 c 、媒体访问控制伽蚴：提供准许数据传输接入v h f 数据链路( v d l ) 的方法。 以上三个子层实际上完成的工作是完全统一的，就是提供数据包的打包和解 包功能，将数据安全的完成端到端的传输。 2 3 1 超帧结构 a i s 每个信道以1 分钟作为一个超帧，一个超帧包含了2 2 5 0 个时隙，每 个时隙内含2 5 6 b i t s ( 占时约2 6 6 7 m s ) “”整个超帧的结构如图2 3 。任一通 信台站都可以按照一定的时隙选择算法选用一个或者数个时隙发送报文，而接 收台站则需要进行时隙同步之后，按照网络时隙进行数据接收。 辱= = = = = = = = j1 分钟( 超帧) 墨墨= = = = = = = 冷 = = = = = = = = = = 口i 时隙( 2 $ 6 b i t ) c = = = ! = = 2 两 图2 3 超帧结构图 2 3 2 帧结构 每个时隙内的数据包是基于h d l c 数据包结构改进的结构，它包括这样几个部 分，即训练序列、起始标记、数据段、帧校验序列、结束标记和缓冲，整个数据 包的结构如下图2 4 所示。 图2 4 、a i s 数据包总体结构 表2 1 数据分组功能 数据分组长度描述 向上斜坡信号8 比特图6 中的t o t 1 训练序列2 4 比特为同步所必需须 开始标记8 比特根据h d l c ( 7 e h ) 数据1 6 8 比特缺省设置 循环冗余码校验1 6 比特根据皿l c 结束标记8 比特根据h d l c ( 7 e 1 1 ) 缓冲2 4 比特位填充距离延迟、转发器延迟和晃动 总计2 5 6 比特 9 上海大学硕士学位论文 分组应自左向右。除训练序列以外，这一结构应该同普通的h d l c 结构【1 5 】 完全一样。采用训练序列的目的是为了对v h f 接收机进行同步调整，预设的分 组总长度应为2 5 6 b i t s ，相对于一个时间段。各个分组的功能及长度如表2 i 所示【1 6 1 。 在表2 1 的分组中，“向上斜坡信号”其实并没有具体数据，其作用是在打 开发射机之后，给予它一定时间以便达到所需要的发射功率。 a 、训练序列 训练序列是由交替的0 和1 ( 0 1 0 1 0 1 ) 组成的比特波形，如图2 5 ( a ) 。 在开始标记之前，应先发射2 4 比特的序文。由于通信模块要采用不归零倒置 ( n r z i ) 模式组合( 也就是差分码) ，所以物理层数据的比特波形如下图2 5 ( b ) 所 示。 r u m 呷| 一叩一1 旧 一n i 、。j ! _ 一n ”，经n r z l 编码变换的比特波形 图2 5 、训练序列和n r z i 处理 后面数据包中的其他部分的数据，在经过通信之后，都要经过类似的n r z i 处理。 b 、起始标志和结束标志 起始标记和结束标志完全一致。他们的长度为8 b i t s ，和标准的h d l c 起始 和结束标记一致。其作用为标识数据包的开端。标记由8 b i t s 长的比特波形组成： 0 1 1 1 1 1 1 0 ( 7 e h ) 。该标记尽管包含6 个连续( 1 ) ，但不需要进行位填充。 c 、数据 在一个标准数据包中数据部分长度应为1 6 8 b i m 。但是在a i s 中也存在长度 不大于5 个时隙的非标准数据包。 d 、帧检验序列( f c s ) 在a i s 中，f c s 根据 i s o i e c 3 3 0 9 ：1 9 9 3 】的规定，采用循环冗余校验 ( c r c ) 1 6 b i t 多项式来计算校验和。在c r c 计算开始时应将c r c 码元预设为i 。 c r c 计算中应该只包含包括位填充的数据部分。 l o 上海大学硕上学位论文 e 、缓冲 缓冲部分通常为2 4 比特长，包括以下四部分内容： 一位填充4 比特( 除安全相关电文和二进制电文以外的所有信息) 一距离延迟1 2 比特 一转发器延迟2 比特 一同步晃动6 比特 这种缓冲码一般是为了满足实际应用中的各种可能情况对电文长度或者其 他对接收方接收数据所产生的影响，比如“位填充”，就是为了满足位填充所引 起的电文长度的增加( 根据统计分析表明，有7 6 的组合最多需要3 b i t 位填充) 。 其他缓冲类似。各种缓冲码的功能主要如下所述。 距离延迟：为距离延迟保留的缓冲值为1 2 比特。这相当于2 0 2 1 6 海里( r i m ) 。 这一距离延迟能对1 0 0 r i m 的传播距离提供保护。 转发器延迟：转发器延迟为双工转发器提供换向时间，大约等于 ! 丝。0 2 0 8 m s 。 9 6 0 0 b i t | s 同步抖动：同步晃动码元允许每个时间段有一次晃动的时间，相当于3 比 特，从而保证了t d m a 数据链的完整性。发射计时误差应在同步源的+ 1 0 4 微 秒之内。由于计时误差是累加性的，累计总的计时误差可达到3 1 2 微秒。 比特填充：以上所述各部分字段中，数据部分和f c s 比特流应受位填充控 制。也就是说一旦发现输出位流中连续出现5 个以上( 1 ) 时，应在该5 个( 1 ) 后 插入1 个0 t 。这种方法适用于除h d l c 标记( 开始标记与结束标记) 以外的所有 比特。 2 3 3 帧结构发射功率分析 上述帧结构发射过程中的发射功率分布以及各数据分组的时间分布情况如 图2 6 所示。 上海大学硕上学位论文 图2 6 传输过程中数据分组的时间分布 其中t o - t 5 的具体值如下表2 2 所示。 表2 2 数据传输过程中的时间分布列表 t ot 1 麓纂羲 t 时间( 单位：m s )说明 t o0 0 0 0 时间段开始，使用射频电源。 i t s0 8 3 2 训练序列的开始。 t l 1 0 0 0 射频功率和频率稳定时间。 t 23 3 2 8 传输分组的开始( 开始标记) 。在一级同步源 ( u t c ) 缺失的情况下，可将其作为二级同步源。 t i 4 1 6 0时间相位同步标志。 开始标记的结束，数据的开始。 t 32 4 1 2 8 传输的结束，开始零位填充。在传输结束之后不 采川调制。如数据块较短，则传输可较早结束。 t 4t 3 + 1 0 0 0 射频功率达到零的时间。 t 52 6 6 7 0 时间段结束。下一时间段的开端。 1 2 上海大学硕士学位论文 我们将发射机打开后发射功率从o 到达最大值8 0 的过程，称为射频增高 时间。发射机射频增高时间应不超过开机讯号( t x 一0 n ) 发出之后1 微秒。上表 2 2 所列举的数据是整个发射过程的参考值，系统实现后应达到该定义值。 整个2 5 6 b i t 数据中，真正有效的数据是1 6 8 个。但是a i s 协议中也规定了 几种占用多个时隙的数据包结构，对于这些数据包，仅在起始发射和结束发射 时才有起始标志，发射功率也是从起始发射，持续到多个时隙之后完成。 图2 6 中，可以看到在数据包a 发射结束与数据包b 发射起始之间有一个 过渡环节，该环节要求发射机关闭时间尽量短些，以便不妨碍其它数据包的发 射与接收。 2 3 4 i s 常用数据类型 a i s 中共规定了2 2 种消息类型，其中常用的报文类型如表2 3 。 表2 3 常用报文类型列表 消息i d 码名称说明 l 船位报告定时的船位报告 2 船位报告分配时间表的船位报告 3 船位报告特别船位报告，对洵问的同复 4 基地台报告基地台的位置、u t c 、日期和时隙号码 5 静态和与航程有关的数据定时的静态数据和与船舶相关的船舶数据报告 9 标准搜救飞机位置报告仅为以s a r 运行的航空台站使用的位置报告 1 0 u t c 日期查询查询u t c 时间和日期 1 1 u t c 日期同应当前的u t c 时间 1 2 编址安全信息编址通信的安全信息 1 3 安全信息确认确认接收剑的编址安全信息 其中消息i d 码( 6 b i t ) 被包含在消息数据包中如图2 7 ，用以区别消息类 型，接收站按照消息i d 码分析消息中各个数据的意义。具体的消息编码格式， 依据消息i d 码的不同而有所不同。 6 b i t s 消息l d 硼练序列起始标记数据帧校验序列结束标记缓冲1 图2 7 消息i d 码在信息中的位置 下面以a i s 网络中最常见的消息i d 为l ，2 ，3 的船位报告为例，各个字段 的详细分布如下。 上海大学硕上学位论文 表2 4 电文3 的比特具体分布列表 序号参数比特数序号参数比特数 1 信息识别码 61 0 纬度 2 7 2 数据终端设备 11 1 对地航向 1 2 3 数据显示符 l1 2 止航首向 9 4用户识别码3 01 3标时6 5 航行状态 41 4 转发显示符 2 6 转向率r o t 】 81 5 为地区性应_ h j 所保留 4 7 对地航速 i 01 6 备心位 1 8 船位精确度 11 7通信状态1 8 9 经度 2 81 8 总的比特数 1 6 8 各个数据包按上表2 4 的序号顺序的排列成最终的数据包结构。 2 3 5a i s 工作模式 a i s 终端设备应当有3 种运行模式。自主模式应预设为缺省模式，并可根 据政府管理部门的要求与其它模式互相转换。 a 、自主和连续模式 以自主模式运行的台站应能自行确定其位置信息的发射时间安排，并自动 解决与其它台站在发射时间安排上的冲突。 b 、分配模式 以分配模式运行的台站应采用政府管理部门的基地台或转发台所指定的 发射时间表。 c 、轮询模式 以轮询模式运行的台站应自动回应船只或政府管理部门的询问( 信息1 5 ) 。 轮询模式的运行不应和其它两种模式的运行发生冲突。回应信息的发射应在接 收到询问信息的频道上进行。 2 3 6 船载a i s 系统硬件设计方案 在a i s 中，物理层性能如下： 1 、a i s 要求的数据发射比特率为9 6 0 0 b s ( 5 0 * l o e 一6 ) 。 2 、a i s 要求使用的数据编码格式是非归零反转码_ n r z i 波形编码，该编 码的特性是当比特流遇到i 时，波形在电平上有一变化。 3 、a i s 定义发射机r f 启动的时间为t x 一0 n 信号后，r f 功率从零电平达到 正常电平的8 0 时所经过的时间，根据a i s 的规定，该发射机启动时间不能超 过i m s 。 1 4 上海大学硕十学位论文 4 、a i s 要求其发射机的最大输出功率不应超过2 5 w 。根据一些应用要求， 正常功率应该分为两级( 高功率，低功率) 。正常情况下，两级功率分别为2 w 和1 2 5 w ，冗余量为2 0 之内。 5 、m s 调制解调采用了g m s k 刚。在进行调频发射之前，先将比特流进行 n r z i 编码，然后送m o d e m 进行g m s k 编码。用于数据接收的g m s k 解调器的带宽 时间分量( b t ) ，在2 5 k h z 信道工作时，最大为0 5 ；在1 2 5 k h z 信道时，最大 为0 3 。g m s k 编码后的数据经调频后送v h f 发射机发射，调制系数为2 5 k h z 信 道上为0 5 ，在1 2 5 k h z 信道上为0 2 5 。 在上述物理层技术要求的前提下，笔者设计了该课题的总体硬件架构。在 本设计中，a i s 的核心处理是由增强型8 0 5 1 系列的单片机来完成的，工作频率 为3 6 m h z ，设计初衷是依靠高速的运行速度来对某一时隙的数据在本时隙内完 成处理。因此，要求8 0 5 1 的处理速度能够尽可能的高些，这里选择的3 6 m h z 也 是为了使硬件工作更加流畅。具体硬件设计的部分，可以在后面的章节中看到。 图2 8 硬件系统结构框图 图2 8 是本文设计的a i s 系统的硬件系统结构图，该系统以m c u 为核心， 由它进行协议处理；采用串行通信控制芯片z 8 5 c 3 0 实现数据的组帧和解帧获得 数据，需要经过g m s km o d e m 模块进行g m s k 调制解调，由于a i s 是双信道运行， 所以需要两个独立的g m s k 调制解调模块。 在该系统上，除了上述主要部分外，还有两个扩展单元：一个是由8 2 5 5 扩 展并行口形成的l e d 显示、键盘和打印模块，另一个是由另一片z 8 5 c 3 0 扩展的 上海大学硕士学位论文 接口模块，可以提供一个r s 2 3 2 接口以及一个t t l 电平接口，加上m c u 上已有 的一个r s 2 3 2 接口，系统总共有两个r s 2 3 2 接口，其中一个用于g p s 信号的接 收，另一个用于控制信号的接收与反馈信息的发射。 2 4 小结 在本章中，首先对a i s 的系统性能和结构做了简单的介绍，然后介绍了a i s 物理层的核心功能g m s k 调制解调的基本原理，然后介绍了a i s 数据链路层 的帧结构进行了描述和分析。之后介绍了a i s 相关的常用数据包类型，以及网 络层相关的a i s 的工作模式，最后给出了本课题中a i s 系统的硬件设计方案。 比较全面的反映了a i s 相关的基本知识，并且对本课题的硬件系统模块结构做 了简要的介绍。 1 6 e 海大学硕。i ：学位论文 第三章a i s 硬件电路结构设计 3 1g m s k 调制解调的硬件实现 a i s 物理层的核心功能就是要对信号进行调制解调，以满足无线信道的要 求。基于上述g m s k 调制的技术性能规定，笔者选择了英国c m l ( c o n s u m e r m i c r o c i c u i tl i m i t e d ) 公司出品的c m x 5 8 9 芯片作为本课题中的g m s k 基带 m o d e m 。该芯片内含时钟产生与分频、发送波形形成滤波器、接收滤波器、接收 定时提取与数据恢复等功能单元，可以用于无线m o d e m 、f m 数据通信及数据终 端等。其基本特性如下【1 8 】： ( 1 ) 、数据传输速率从4 k b p s 到2 0 0 k b p s ； ( 2 ) 、符合最小移频键控调制解调方式的全双工或半双工高斯滤波器和数据恢 复单元设计； ( 3 ) 、可选择的b t 值：0 3 或者0 5 ； ( 4 ) 、低功耗： 在3 o v 的工作电压下，最高可达到2 0 k b p s ，典型工作电流为1 5 m a ； 在5 o v 的工作电压下，最高可达到6 4 k b p s ，典型工作电流为4 o m a ； 3 1 1c m x 5 8 9 的内部结构框图 图3 1c m x 5 8 9 功能框图 c m x 5 8 9 的内部功能框图如图3 1 所示。t x 、r x 数字接口都是比特串行数据， 与c m x 5 8 9 产生的t x 、r x 数据时钟同步，t x 、r x 各自的电源输入允许它们进行 半双工的运行，r x 输入的电平可以通过适当的结合片上的r x 输入放大器和其 上海大学硕士学位论文 他的外部元件组成a c 和d c 电平调整电路来实现“。 获取，锁定和r x 数据信号的保持都可以通过由微处理器使用r x 控制输入 来进行电平锁定、侦测和保持，使用方法简单快捷。t x 的s n ( 信噪比) 输出 端可以得到一个所接收信号的质量值啪1 。 其中，数据率由输入时钟频率与分频比控制信号c l k d i v a 、c l k d i v b 决定。 其相互关系如表3 1 。时钟分频比的计算公式如下式所示o “。 数据率= 时钟频率分频比( 3 1 ) 表3 1 数据率和时钟频率以及分频比的关系 v d d - - - - 4 5 v , e x t e r n a lc l o c k x t a l c l o c kf r e q u e n c y ( m h z ) 2 4 5 7 68 1 9 24 9 1 5 2 4 0 9 6 2 4 5 7 62 0 4 8 i n p u t s x t a l c l k f r e q 1 2 2 8 8 31 2 2 8 8 56 1 4 4 ，3 c l k dc l k dd a t ar a t e ( k b p s ) d a t ar a t e i v ai v b o 0 1 2 81 9 2 6 4 3 8 43 2 1 9 21 6 0l2 5 69 63 21 9 21 69 68 lo5 1 24 81 69 684 84 l11 0 2 42 484 84 在本课题中，所采用的晶振频率为4 9 1 5 2 h z ，需要得到的数据率为9 6 k b p s ， 按式3 1 ，可知分频比为5 1 2 ，因此查表2 3 可知c l k d i v a = l ，c l k d i v b = 0 。 3 1 2c m x 5 8 9 的芯片引脚及其功能 c m x 5 8 9 是一款单片同步高速m o d e m ，芯片共有2 4 个引脚。 其中1 ，2 脚为外部晶体振荡器信号输入，为芯片提供时钟信号：3 ，4 脚为设置 c m x 5 8 9 在不同晶体振荡输入时选择信号发送的波特率，由于a i s 系统需要9 6 k b s 波特率，该设计选用4 9 1 5 2 m h z 晶体，因此3 脚( c l k d i v a ) 接+ 5 v 的高电平，4 脚 ( c l k d i v b ) 接地：5 脚控制时钟的提取：6 脚设置r x 接收电平测量电路处于获取状 态：7 脚设置r x 时钟提取电路处于获取状态：8 脚设置芯片处于省电状态，当处于省 电状态时，输出的接收数据和r x s n 处于“0 ”电平：9 脚为芯片内部电路偏置线， 该管脚一定需要1 个电容耦合到电源( v s s ) 供应端，且电容安装时应尽量靠近芯 片；1 0 脚为接收信号放大器与接收滤波器的反馈端：11 脚为g m s k 接收信号的输入 端，该信号输入到接收信号( r x ) 输入放大器：1 2 脚为信号的接地端：1 3 ，1 4 脚通过 电容连接到信号的地端：1 5 脚设置芯片的b t 值，接高电平时，芯片工作于b t = 0 5 ， 接低电平时b t ：0 3 ；1 6 脚g m s k 发射调制信号输出：1 7 脚发射信号控制端，当设置为 上海大学硕士学位论文 高电平时芯片处于发射状态，低电平时芯片发射电路不输出发射信号，从而控制 信号的发射输出：1 8 脚设置芯片发射时处于节省功率状态：1 9 脚发射数据输入端， 该端信号来自信号处理器的发射数据输出；2 0 脚接收解调后的接收数据输出端， 它必须与接收信号时钟同步：2 1 脚接收信号时钟同步信号输出：2 2 脚发射时钟同 步信号输出端：2 3 脚( r x s n ) 为接收信号质量指示端，输出逻辑电平指示此时接收 信号的强弱：2 4 脚接芯片供电电源( v c c + 5 v ) 。 3 1 3 调制解调器应用电路设计 a i s 要求有两个信道( a 路和b 路) 同步工作，因此，在本设计中使用了两片 c m x 5 8 9 芯片，以满足其双信道工作的要求。 设置1 5 脚b t 值是由p 1 3 ( a 路) 控制，在我国的海域中，一般设置b t = o 5 。同 时，为了能够得到与a i s 要求相一致的通信性能，除了设置b t 值以外，对1 3 、1 4 脚的d 0 c l 、d o c 2 外部的电容值做了设计。取c 8 3 c 8 6 为1 5 n f ，c 8 1 c 8 2 为4 7 1 p f 。 要使收发电路输出电平满足t t l 电平的需要，需要设计收发电平调整电路。在 输出调整电路中选用电阻分压提升电路，为了不影响发射输出滤波器的性能，电 阻分压提升电路的电阻应选择较大的阻抗，接收电路同样存在输入滤波的需要， 因而电阻分压提升电路的电阻r 3 2 、r 3 3 取4 m ，r 2 6 、r 2 7 取1 m ，使收发电路的直流电 平调整n t v 左右。在